2015固定式导管架结构可靠性分析及应用指南

固定式导管架结构可靠性分析及应用指南2015年1月目录第1章总 则 1第1节 一般规定 1第2节规范和引用文件 2第3节 定义和缩写 2第2章 固定式导管架结构的可靠性分析 4第1节 一般规定 4第2节 结构抗力及其分布特性 4第3节 环境载荷的分布特性 5第4节 失效概率的计算 6第3章 现役导管架结构评估的可接受标准 10第1节 平台的分类 10第2节 现役平台结构抗力的可接受标准 第3节 其它 12第4章按照ISO19902标准设计建造的导管架结构的环境载荷分项系数 13第1节一般规定 13第2节暴露等级的划分及环境载荷分项系数 13第3节甲板高程的要求 14第5章 固定式导管架结构的极限强度分析 16第1节 概述 16第2节 图纸和资料 16第3节 极限强度分析方法 17第4节 结构模型 20第5节 载荷模拟 24第6节 结果分析 25附录 参考文献 28-1-PAGEPAGE10第1章总 则第1节一般规定（台按照ISO19902（Petroleumandnaturalgasindustries-Fixedsteeloffshorestructures）进行设计。（FitnessforPurpose）评价时的可接受标准。（水深3001.1-1。1.1-1（）197240ly，也有分析方法和模型不完善导致的（ModelingUncertint，在环境载荷长期分布、结构抗力分布、以及可靠性分析模型中进其不一致时，应以主管当局的要求为准。第2节规范和引用文件本指南主要参考下列版本的法规、规范、标准和本社其它指南。中华人民共和国国家经济贸易委员会《海上固定平台安全规则》（2000）（2013）（2005）APIRP2A-WSDRecommendedPracticeforPlanning,DesigningandConstructingFixedOffshorePlatforms-StressDesign(2007)ISO19902,Petroleumandnaturalgasindustries-Fixedsteeloffshorestructures(2007)ISO19901-1,Petroleumandnaturalgasindustries-Specificrequirementsforoffshorestructures-Part1:Metoceandesignandoperatingconsiderations(2005)本指南参考的技术报告和论文见附录。第3节 定义和缩写定义最大基底剪力进行表征。100剪力之比。非构件抗力，结构抗力以平台的强度储备系数予以表征。P-Delta效应－由平台径向位移导致重量重心偏移造成的倾覆影响，在泥面处产生附加弯矩，对结构产生倾覆作用。缩写和符号LRFD－荷载和抗力系数设计（LoadandResistanceFactorDesign）RSR（ReserveStrengthRatio）SMYS－最小屈服强度（SpecifiedMinimumStrength）Pf－失效概率（ProbabilityofFailure）β－可靠度指标（ReliabilityIndex）－环境载荷分项系数（PartialActionFactorforActions）2

固定式导管架结构的可靠性分析第1节一般规定（和风的联合作用。22.2.1导管架平台的结构抗力RSR可近似的认为符合正态分布，如图2.2-1所示，其概率密度函数pRSR(RSR)为：式中：

p (RSR)= 1RSR √2π

exp[—12

RSR—Rm2)]

（2.1）Rm——RSR的均值，由2.2.2款得到；aR——RSR的标准差，aR＝VRRm，其中VR为结构抗力的变异系数，由2.2.3得到。图2.2-1结构抗力RSR分布的概率密度函数RSR的均值可RmR =Lmm

（2.2）式中：Lm——结构倒塌时的基底剪力均值；L100——100年重现期的环境载荷引起的基底剪力。结构抗力的变异系数式中：

V=R √n

（2.3）VC——导管架构件压缩或拉伸强度的变异系数，VC＝10%；n——结构倒塌时参与破坏的构件数量。5章。第3节 环境载荷的分布特性本节给出的环境载荷分布基于的前提是平台下甲板有足够的高程，不化，应给予特殊考虑。E的年超越概率PE(E)拟合，其表达式为：EP(E)=exp[—(E—A)] (2.4)EB式中：E＝ERP/E100，ERP为RP年重现期的环境载荷产生的基底剪力，E100为100年重现期的环境载荷产生的基底剪力，E>A；系数A、B是表征环境载荷分布的特征参数。对于南海海域，推荐A=0.272，B=0.158。2.3-13个海域环境载荷的长期分布。图2.3-1不同海域环境载荷分布的比较ERP(E)可以过式2.3-2（Hazardue，其斜率反应了环RP(E)= 1

（2.5）2.3-2E第4ERSR如图2.4-1f∞Pf=P(RSR<E)=ƒPE(E)∙pRSR(E)dE0A—Rm

1式中：

=exp(

+ 2B2)∙[1—∅

B —(2.6)∅()——标准

态分布函数；（2.1、式（22、式（23）及式（2.4）图2.4-1结构抗力分布和环境载荷分布βPf之间的关系为：式中：

＝—∅1(f)

(2.7)∅–1()——标准正态分布的反函数。2.4-23VR＝10%。2.4.1指标，其中VR＝10%。图2.4-2不同海域结构极限强度－年失效概率关系曲线表2.4.1–南海海域导管架结构抗力－年失效概率－可靠度指标RSR均值RSR均值结构年失效概率Pf可靠度指标Q1.001.22E-022.2501.021.09E-022.2961.049.64E-032.3401.068.57E-032.3841.087.61E-032.4271.106.77E-032.4691.126.02E-032.5111.145.35E-032.5521.164.76E-032.5931.184.23E-032.6331.203.76E-032.6731.223.35E-032.7121.242.98E-032.7501.262.65E-032.7881.282.36E-032.8261.302.10E-032.8631.321.87E-032.8991.341.67E-032.9351.361.48E-032.9711.381.32E-033.0061.401.18E-033.0411.421.05E-033.0761.449.35E-043.1101.468.34E-043.1441.487.43E-043.1771.506.63E-043.2101.525.91E-043.2431.545.27E-043.2761.564.70E-043.3081.584.20E-043.3391.603.75E-043.3711.623.34E-043.4021.642.98E-043.4331.662.66E-043.4641.682.38E-043.4941.702.13E-043.5241.721.90E-043.5541.741.70E-043.583RSR均值结构年失效概率Pf可靠度指标Q1.761.52E-043.6131.781.35E-043.6421.801.21E-043.6701.821.08E-043.6991.849.68E-053.7271.868.65E-053.7551.887.74E-053.7831.906.92E-053.8111.926.19E-053.8381.945.54E-053.8651.964.96E-053.8921.984.44E-053.9192.003.98E-053.9462.023.56E-053.9722.043.19E-053.9982.062.86E-054.0242.082.56E-054.0502.102.29E-054.0762.122.05E-054.1012.141.84E-054.1272.161.65E-054.1522.181.48E-054.1772.201.33E-054.2012.221.19E-054.2262.241.07E-054.2502.269.57E-064.2752.288.59E-064.2992.307.71E-064.3232.326.92E-064.3462.346.21E-064.3702.365.58E-064.3932.385.01E-064.4172.404.50E-064.4402.424.04E-064.4632.443.63E-064.4862.463.26E-064.5092.482.93E-064.5312.502.64E-064.554第3章现役导管架结构评估的可接受标准第1节 平台的分类本章关于人命安全等级和失效后果等级的定义应符合APIRP2A–WSD的要求。APIRP2AWSD50年100APIRP现役平台的暴露等级分为如下类别：APIRP2AWSD9版～19版设计的现役平台的暴露等级人命安全等级失效后果等级严重后果中等后果轻微后果有人居住，不可撤离－－－有人居住，可撤离A1A2－无人居住A1A2－APIRP2AWSD20版～21版设计的现役平台的暴露等级人命安全等级失效后果等级严重后果中等后果轻微后果有人居住，不可撤离－－－有人居住，可撤离L1L2－无人居住L1L2－RP2AWSD20版及以后版本给出的波APIRP2ASD9～1920第2节 现役平台结构抗力的可接受标准100L1RSR1.85021.6。其对应的结构年失效概率分别为1.2110–4和3.7510–4。3.1.3款所述的设计载荷的差异12的结构最大年失效概率分别为5.0×104及1.0×103RSR分别为1.551.43。3.2.1准。表3.2.1–南海海域现役导管架结构抗力的可接受标准暴露等级可接受的最小RSR结构年失效概率PfA-11.555.0×10–4A-21.431.0×10–3L-11.801.21×10–4L-21.603.75×10–4由于本指南的可靠性分析模型没有考虑甲板上浪载荷的特性，因此，RSR*L100波高，其中L100100年重现期的环境载荷引起的基底剪力。根据适用的规则波理论（如：斯托克斯五阶波等，计算出极限波高对应的极限波峰高。考虑了天文潮和风暴增水后的的极限波峰高度如低于平台下甲板下沿3.2.4款得到的极限则认为平台的抗力达到了可接受水平。第3节 其它3.3.12平台，建议作业者根据“尽合理可能的低（”之原则进行投资-析，以确定平台是否合于使用或采取相应的缓解风险措施。第4章按照ISO19902标准设计建造的导管架结构的环境载荷分项系数第1节一般规定ISO19902（O2提供了设计载荷组合方法（O29.10-1，其4.1.1款所述的可靠度一致性的目标。本章给出了适于用1.1.6款所述海域的f,EO进行导管架结构的设计。ISO19902的相关要求。第2节暴露等级的划分及环境载荷分项系数4.1.1L1L1ISO19902L1暴露等级进行了进一步的划分，把L1L1-GoM暴露等级。表4.2.1–新建造平台的暴露等级分类人命安全等级失效后果等级严重后果中等后果轻微后果有人居住，不可撤离L1L1L1有人居住，可撤离L1-GoML2L2无人居住L1-GoML2L3RSRPf之间的定量关系（4.2-1所示RSR与yf,E架平台的环境载荷分项系数，并汇总如表4.2.2所示。图4.2-1各暴露等级平台结构的年最大失效概率与对应的RSR关系级率度度R4.2.2级率度度R

南海海域导管架平台的环境载荷分项系数暴露等年最大失效概Pf*可靠指标β强储备系数RS（均值）环境载荷分项系数yf,EL13×10-54.0132.051.51L1-Go2.5×10-43.4791.671.23L25×10-43.2921.551.14L31×10-33.0761.421.04M注*：L1M

和L2暴露等级平台结构的年最大失效概率参见

ISO19902第9.9.3.31-GoM和3文（iou&vandeGraa,201。第3（1）L1等级：1×10-4（2）L1-GoM等级：1×10-3（3）L2等级：1×10-3（4）L3等级：1×10-3ISO19901-1A.8.8到的结果存在不确定性，因为最大波峰高和最大波高之间不存在必然的联系。第5章固定式导管架结构的极限强度分析第1节 概述本章给出了固定式导管架结构极限强度分析的一般要求和推荐做法。通常采用推倒分析来实现。极限强度分析可用于下列情况：确定平台结构的极限能力RSR结构维护、加强和修理评估平台延寿评估制定基于风险的检验计划平台可靠性分析第2节 图纸和资料在极限强度分析前，应收集相关的图纸和资料，为结构模型的建立和载荷的确定提供基础数据。数据提供者应保证资料的准确性和完整性。需要的图纸和资料设计图纸导管架、钢桩和组块结构图纸环境条件——风、海浪、海流、冰等甲板高程上部载荷和设备布置土壤资料桩和隔水套管的尺度和设计贯入深度附属构件建造资料竣工图纸制造、焊接和建造规格书材料跟踪记录桩和隔水套管的打入记录桩的灌浆记录（如适用）平台历史记录检验和维修记录改造记录当前平台情况所有结构的实际尺寸、位置、高程上部载荷和设备布置水下调查情况，包括海生物、海底冲刷等平台腐蚀、测厚和探伤情况最新的环境条件损伤构件详细报告修理后构件检验报告第3节 极限强度分析方法在实际工程中，通常采用非线性“静态推倒”分析方法来进行极限强5.3-1所示。图5.3-1典型的极限强度分析载荷—变形情况设计载荷100重现期设计风暴工况()5.3-1屈服载荷5.3-15.3-1所示。最大载荷5.3-1所示。整体倒塌结构倒塌有两种类型：脆性倒塌和塑性倒塌,如图5.3-1所示。者之间不存在可用性极限载荷。和极限载荷之间有较大的冗余量。鲁棒性鲁棒性指的是结构屈服载荷与极限载荷之间的冗余量,如图5.3-1所示。冗余量越大，结构的鲁棒性就越好，冗余量越小，结构的鲁棒性就越差。推倒分析流程推倒分析的流程如图5.3-2所示。推倒分析关键点4、5、6节详细介绍。初始推倒载荷的确定20%5m5.3-2KK0.8-1.2之0.8-1.2第4节结构模型钢材屈服强度()或期望平均屈服强和跟踪文件，应加以利用。如无法得到实际屈服强度，那么可以利用材料最小屈服强度来估算其期望平均屈服强度；1.10；350MPa1.05250MPa1.10的系数。导管架结构模拟而设计分析模型只使用线性单元。腿柱的模拟撑杆的模拟5.4-1所示。来代替模拟其非线性分析。图5.4-1

典型的屈服失效和屈曲失效时载荷变形曲线节点的模拟节点能力应使用合适的计算公式2A-WSD(不含安全系数)。

入在模型中，可以参考APIRP素。

，尤其是其对桩基承载力的贡献。-立管的模拟在大多数情况下，立管的强度可以不计入模型中，而仅计入其引起的波流载荷。在某些情况下，立管是结构整体的一部

，例如J型管或者弯导管。在这种情况下，它们应该模拟成为可以承载的构件。附属构件的模拟不大，可以不考虑。损伤构件的模拟甚至几个撑杆对整体结构的极限能力影响不大。ISO19902提供的损伤构件剩余强度的计算方法。桩基模拟模拟桩--p-y线表示桩基垂向载荷，Q-z曲线表示桩头载荷。钢桩钢桩应采用非线性梁单元，以模拟其在泥面下的弯曲失效。桩-土相互作用桩-土相互作用曲线(p-y、t-z、Q-z)通常由现场地质调查报告提供或者按APIRP2A-WSD计算。桩-土相互作用曲线有静态(也叫“原始”)和动态(也叫“弱化”)两种形式，其中弱化的数据用于推倒分析。弱化的桩-土相互作用曲线是考虑桩基在大量的波浪作用下发生的往复位移对桩基承载力的弱化作用。桩基敏感性分析根据实际的平台倒塌案例调查情况来看，几乎没有平台倒塌是由于桩基失效引起的。但是，在对实际发生倒塌的平台和幸存的平台进行极限强度分析显示，径向弯曲或轴向